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感应加热基础知识解析

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：导磁体的“驱流”作用感应淬火时，环流效应使高频电流密集在感应器内侧，对工件外表面的加热有利。因此，导磁体的实质是改变磁感应线方向。

1.感应加热原理

导体有电流通过时，在其周围就同时产生磁场。磁场强度的大小与方向决定于导体中电流的大小和方向。

图2-46 感应器与工件的电磁感应

1—感应器 2—磁感应线 3—工件

当感应线圈中通有交变电流时，在感应线圈的内部及其周围就产生一个交变磁场，置于线圈内部的金属工件就被交变磁场的磁力线所切割，于是在金属材料的工件上产生感应电动势e，这种电动势形成感应电流（见图2-46），电流流线在金属体内部自行闭合，又称为涡流。圆柱工件表面的电流（i）与感应圈中通过的电流（I）方向相反。按电磁感应定律，感应电动势e可用下式求得：

e=-KdΦ/dt （2-23）

式中e——感应电动势（V）；

K——比例系数；

dΦ/dt——磁通变化率。

式中的负号表示感应电动势的方向与磁通变化率的方向相反。

由于感应加热的电流是按正弦规律变化，所以电流I按下式得到：

I=I_msin2πft （2-24）

式中I_m——峰值电流（A）；

f——频率（Hz）；

t——时间（s）。

磁通量的变化随电流变化而变化，所以

Φ=Φ_msin2πft （2-25）

dΦ/dt=Φ_m2πfcos2πft （2-26）

所以电动势e=-KΦ_m2πfcos2πft

工件内涡流的电抗Z由电阻R和感抗X_L组成，即

式中R——涡流回路电阻（Ω）；

X_L——涡流回路感抗（Ω）。

工件内电流i由下式计算：

i=e/Z （2-28）

由于Z值很小，所以i就可以很大，使涡流回路产生很大热量。热量Q的计算公式为

Q=i²Rt （2-29）

对铁磁性材料，除涡流产生的热效应外，还有磁滞热效应所产生的热量，只是这种热量比涡流产生的热量小得多。

工件在感应圈中，高频磁场的磁力线沿磁阻最小的工件表面通过，形成封闭回路。假设感应圈与工件的间隙处于非常小的理想条件，没有逸散到周围空气间隙中的漏磁损耗，磁能全部为工件表面吸收，圆柱表面的电流（i）与感应圈中通过的电流（I）大小相等、方向相反，那么，使用单匝感应圈、高度为1cm的圆柱形工件表面所吸收的功率（P_a）可用下式来计算：

式中P_a——工件表面吸收功率（W/cm²）；

I——感应器上的电流（A）；

r——工件圆柱半径（cm）；

ρ——工件材料的电阻率（Ω·cm）；

μ——磁导率（H/m）；

f——频率（Hz）。

从式（2-27）可以看出，感应加热时，工件表面吸收的加热功率与感应器上的电流和频率有关。

2.感应加热的四个效应和导磁体的“驱流”作用

（1）表面效应当交变电流流过导体时，电流密度沿着导体截面的分布是不均匀的，感应电流密度从加热工件的表面至中心是逐渐降低的。

感应加热时，感应电流在工件中的分布从表面向中心呈指数衰减，可表示为

式中i₀——工件表面最大的电流（A）；

i_x——距工件表面某一距离的电流（A）；

x——到工件表面的距离（cm）；

Δ——电流透入深度（cm）；

当x=0时，i_x=i₀；x>0时，i_x<i₀；x<0时，i_x>i₀；当x=Δ时，i_x=i₀/e=0.3679i₀（e=2.718）。工程上规定，从表面到电流为i₀/e处的深度为电流透入深度Δ。

在生产实际中，钢件在感应加热时电流透入深度可用下列简化式计算：

在20℃时

在800℃时

在1000℃时

由此可见，电流频率越高，电流透入深度越浅。

（2）邻近效应高频电流通过两个相邻导体时，若电流方向相反，电流从两导体的内侧流过；若电流方向相同，电流则从两导体的外侧流过。这种现象称为邻近效应，如图2-47所示。

（3）环流效应高频电流流过环形导体时，最大电流密度分布在环形导体的内侧，这种现象称为环流效应。

（4）尖角效应当感应器与工件之间的间隙相同时，工件的尖角处易集中磁感应线，而使感应电流密度过大，以致在工件的尖角处产生过烧，这种现象称为尖角效应。

（5）导磁体的“驱流”作用感应淬火时，环流效应使高频电流密集在感应器内侧，对工件外表面的加热有利。但对工件内孔加热时，感应器的效率低，为此，往往在感应器上放置导磁体，将电流“驱”向感应器的外侧。因此，导磁体的实质是改变磁感应线方向。

图2-47 高频电流在导体内的邻近效应

a）相邻导体电流方向相反，高频电流沿内侧分布 b）相邻导体电流方向相反，由于间隙不同对邻近效应影响 c）相邻导体电流方向相同，高频电流沿外侧分布

图2-48所示为将n形硅钢片导磁体槽口向外加在矩形导体上，使矩形导体上的电流趋于外表面。在该感应器用于内孔加热时，强化了邻近效应，提高了内孔的加热效率。

图2-49所示为导磁体槽口向下加在矩形导体上，使矩形导体上的电流趋于下表面。在该感应器用于平面加热时，强化邻近效应，提高平面加热的效率。

图2-48 导磁体槽口向外的内孔加热感应器

1—导磁体 2—矩形导体 3—工件

图2-49 导磁体槽口向下的平面加热感应器

1—导磁体 2—矩形导体 3—工件